一种扫描致动器及光纤扫描器的制作方法

1.本发明涉及光纤扫描技术领域，尤其涉及一种扫描致动器及光纤扫描器。


背景技术：

2.光纤扫描器是一种利用扫描致动器控制光纤摆动从而出射一幅图案的显示技术，该技术所照射的图案的色彩锐利饱和、对比度高、亮度高，且结构体积非常小，其主要用在光纤扫描显示(fsd)技术和光纤扫描内窥镜(fse)技术中。
3.格栅式光纤扫描器的致动器主要包括作为快轴的第二致动部和作为慢轴的第一致动部，第二致动部和第一致动部的两端均分别为固定端和自由端，第二致动部的固定端与第一致动部的自由端固定连接。要想获得稳定的扫描范围、并精确操控扫描轨迹，需要致动器的末端的扫描轨迹与第一致动部的扫描轨迹和第二致动部的扫描轨迹具有精确的一致性，任何致动部的加工误差都会使得致动器的振动变得不易控制或产生杂乱的振动分量。如何避免不受控或杂乱的振动分量是提高扫描质量的重要因素之一。
4.传统的扫描器致动器一般为管状或片状，为了使得慢轴方向的致动部满足慢轴扫描频率、快轴方向的致动部满足快轴的扫描频率，就要对致动器的形状、尺寸进行相应的设计，这就导致致动器成不规则的异形。
5.如中国专利cn111830702a公开的一种扫描致动器，其大体上是采用管状的压电致动器，但如上述因素制约，其设计成为异形结构，这对于致动器的批量生产是相当不利的，难以加工，且加工一致性无法得到保障。又如中国专利cn209784655u公开的一种扫描致动器，其大体上是采用片状的压电致动器，同样处于性能考虑，将致动器同样设置为异形结构，同样存在上述难以精确加工、加工一致性差的技术问题。
6.同时，如何避免慢轴致动器与快轴致动器之间的振动耦合，同样是需要考虑的技术问题。上述两篇现有技术对于如何降低慢轴致动器与快轴致动器之间的振动耦合并没有相应的设计。
7.因而，如何在各致动部满足性能参数、不会产生振动耦合的前提下，提高致动器的易于加工，易于批量生产，批量生产一致性好，是需要解决的技术问题


技术实现要素：

8.本发明实施例提供一种扫描致动器及光纤扫描器，用以至少解决具有良好抗振动耦合的致动器不易批量生产、批量生产一致性差的技术问题。
9.为了实现上述发明目的，本发明实施例第一方面提供了一种扫描致动器，包括均呈板状的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，
10.以第一压电陶瓷片所处的平面为水平面，以第一压电陶瓷片的前后两端分别为所述扫描致动器的自由端和固定端；
11.第二压电陶瓷片在前后方向上的长度小于第一压电陶瓷片在前后方向上的长度，第二压电陶瓷片固定贴设于第一压电陶瓷片的上表面或下表面的后侧，
12.在第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的驱动下，扫描致动器的自由端相对于其固定端做二维扫描振动。
13.本技术由两个压电陶瓷片通过贴合构成二维扫描致动器，其两个构件第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性，对于光纤扫描成像技术而言，致动器的一致性好，是光纤扫描器能够量产的关键因素之一。
14.同时，所述片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，可以极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。
15.具体的，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，
16.第一压电陶瓷片具有位于前侧的第一致动区域和位于后侧的第二致动区域，
17.第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片平行设置并固定贴合设置于第一压电陶瓷片的第二致动区域的正上方或正下方，
18.第一致动区域的左右两侧分别设置有第一伸缩区域和第二伸缩区域，
19.第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片的上表面和下表面均对应配合设置有上电极和下电极，第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片均沿前后方向伸缩；
20.并且第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片同步反向伸缩，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩。
21.从而第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片的自由端沿垂直方向振动，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片的自由端沿左右方向振动。
22.第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片仅作同步反向伸缩，并且左右两个端面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起垂直方向的振动，不会产生水平左右方向的振动分量；同理，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域仅作同步反向伸缩，并且上下两个表面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起水平左右方向的振动，不会产生垂直方向的振动分量。故本技术的致动器无需设置额外的矫正结构。
23.本技术将第一压电陶瓷片的第一致动区域的左右两侧分别为第一伸缩区域和第二伸缩区域，两个区域分别设置驱动电极，这样的结构极大的减小了驱动电极的面积，从而降低驱动电极的电容，大大降低了驱动功耗。
24.第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片的上表面和下表面均对应配合设置有上电极和下电极，各上电极和各下电极均用于通过电极引线连接对应的外部驱动电路以分别驱动第一压电陶瓷片的第二致动区域、第一伸缩区域、第二伸缩区域以及第二压电陶瓷片沿前后方向伸缩。
25.所述的第一压电陶瓷片的第一伸缩区域的上表面设置有第一上电极、下表面设置有第一下电极，第一压电陶瓷片的第二伸缩区域的上表面设置有第二上电极、下表面设置有第二下电极，第一压电陶瓷片的第二致动区域的上表面设置有第三上电极、下表面设置有第三下电极，第二压电陶瓷片的上表面设置有第四上电极、下表面设置有第四下电极。
26.可选的，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域可以具有共用的上电极或下电极。所述共用的上电极或下电极同时覆盖第一伸缩区域和第二伸缩区域，从而使得
第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域仅具有三个电极引线，由两路驱动信号分别驱动第一伸缩区域和第二伸缩区域作同步反向伸缩。
27.在此基础上，进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域的极化方向相反，由于第一伸缩区域和第二伸缩区域为同步反向伸缩，从而第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域可以具有共用的第五上电极和第五下电极，即第一压电陶瓷片的第一致动区域的上表面涂覆的第五上电极同时覆盖第一伸缩区域和第二伸缩区域；第一致动区域的下表面涂覆的第五下电极同时覆盖第一伸缩区域和第二伸缩区域。共用的第五上电极和第五下电极分别连接一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第一伸缩区域和第二伸缩区域作同步反向伸缩。
28.同理可选的，第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片可以具有共用的中间电极，中间电极设置于第二致动区域与第二压电陶瓷片之间，该中间电极既是第二致动区域的上电极，也是第二压电陶瓷片的下电极，这样就能使得第一压电陶瓷片的第二致动区域和第二压电陶瓷片仅具有三个电极引线，简化线路，并由两路驱动信号分别驱动第二致动区域和第二压电陶瓷片作同步反向伸缩。
29.在此基础上进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片的极化方向相同，由于第二致动区域和第二压电陶瓷片作同步反向伸缩，从而除了第二致动区域与第二压电陶瓷片可以共用一个中间电极外，第二致动区域和第二压电陶瓷片剩余的两个电极也可以共用一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第二致动区域和第二压电陶瓷片作同步反向伸缩。
30.本技术第二方面提供一种光纤扫描器，其包括上述的扫描致动器和光纤，光纤以悬臂支撑的方式固定设置于第一压电陶瓷片的前端部。光纤的另一端连接光源，光纤悬臂在扫描致动器的驱动下做二维扫描，光源根据光纤悬臂的扫描位置出射对应像素点的光，从而实现光纤二维扫描成像。
31.本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
32.本技术由两个压电陶瓷片通过贴合构成二维扫描致动器，其两个构件第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性，对于光纤扫描成像技术而言，致动器的一致性好，是光纤扫描器能够量产的关键因素之一。
33.同时，所述片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，可以极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。
34.第一压电陶瓷片的第二致动区域与第二压电陶瓷片仅作同步反向伸缩，并且左右两个端面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起垂直方向的振动，不会产生水平左右方向的振动分量；同理，第一压电陶瓷片的第一伸缩区域和第二伸缩区域仅作同步反向伸缩，并且上下两个表面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起水平左右方向的振动，不会产生垂直方向的振动分量。故本技术的致动器无需设置额外的矫正结构。
35.本技术将第一压电陶瓷片的第一致动区域的左右两侧分别为第一伸缩区域和第二伸缩区域，两个区域分别设置驱动电极，这样的结构极大的减小了驱动电极的面积，从而降低驱动电极的电容，大大降低了驱动功耗。
附图说明
36.图1为本发明的扫描致动器的结构示意图；
37.图2为本发明的第一压电陶瓷片的结构示意图；
38.图3为本发明的扫描致动器的电极结构示意图；
39.图4为第一压电陶瓷片的第一致动区域共用上电极的结构示意图；
40.图5为第一压电陶瓷片的第一致动区域共用下电极的结构示意图；
41.图6为第一压电陶瓷片的第一致动区域同时共用上电极和下电极的结构示意图；
42.图7为第二压电陶瓷片与第一压电陶瓷片的第二致动区域共用中间电极的结构示意图；
43.图8为本发明的光纤扫描器的结构示意图；
44.图9为本发明的扫描致动器的另一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.如图1所述，本发明实施例第一方面提供一种扫描致动器，包括均呈板状的第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200，
47.以第一压电陶瓷片100所处的平面为水平面，以第一压电陶瓷片100的前后两端分别为所述扫描致动器的自由端和固定端；
48.第二压电陶瓷片200在前后方向上的长度小于第一压电陶瓷片100在前后方向上的长度，第二压电陶瓷片200固定贴设于第一压电陶瓷片100的后侧，
49.在第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200的驱动下，扫描致动器的自由端相对于其固定端做二维扫描振动。
50.本技术由两个压电陶瓷片通过贴合构成二维扫描致动器，其两个构件第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200均为单片陶瓷片，方便制作加工，批量生产中易于保证产品规格、性能、参数的一致性，对于光纤扫描成像技术而言，致动器的一致性好，是光纤扫描器能够量产的关键因素之一。
51.同时，所述片状结构使得致动器在水平方向和垂直方向的特征频率值差值很大，可以极大降低致动器在两个振动方向上的振动耦合。
52.具体的，结合图2所示，第一压电陶瓷片100和第二压电陶瓷片200均沿厚度方向极化，第一压电陶瓷片100具有位于前侧的第一致动区域101和位于后侧的第二致动区域102，
53.第二压电陶瓷片200与第一压电陶瓷片100平行设置并固定贴合设置于第一压电陶瓷片100的第二致动区域102的正上方或正下方。需要说明的是，下文中的各实施例均给出的是第二压电陶瓷片200设置于第一压电陶瓷片100上方的示例，这仅是对技术方案的说明，但可以理解的，第二压电陶瓷片200设置于第一压电陶瓷片100下方，也是同理的技术方案，这对本领域技术人员而言是显而易见的，如图9所示。
54.第二压电陶瓷片200与第一压电陶瓷片100之间均可以通过胶粘接实现固定连接，
也可以采用超声波焊接等方式实现固定连接对此不做限制。
55.第一致动区域101的左右两侧分别设置有第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，
56.第一压电陶瓷片100的第二致动区域102、第一伸缩区域1011、第二伸缩区域1012以及第二压电陶瓷片200的上表面和下表面均对应配合设置有上电极和下电极，各上电极和各下电极均用于通过电极引线连接对应的外部驱动电路以分别驱动第一压电陶瓷片100的第二致动区域102、第一伸缩区域1011、第二伸缩区域1012以及第二压电陶瓷片200沿前后方向伸缩；
57.并且第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200同步反向伸缩，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012同步反向伸缩。
58.从而第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片100的自由端沿垂直方向振动，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012同步反向伸缩驱动第一压电陶瓷片100的自由端沿左右方向振动。
59.第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200仅作同步反向伸缩，并且左右两个端面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起垂直方向的振动，不会产生水平左右方向的振动分量；同理，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012仅作同步反向伸缩，并且上下两个表面均没有束缚，因而上述同步反向伸缩只会引起水平左右方向的振动，不会产生垂直方向的振动分量。故本技术的致动器无需设置额外的矫正结构。
60.本技术将第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的左右两侧分别为第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，两个区域分别设置驱动电极，这样的结构极大的减小了驱动电极的面积，从而降低驱动电极的电容，大大降低了驱动功耗。
61.如图3所示实施例中，所述的第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011的上表面设置有第一上电极301、下表面设置有第一下电极302，第一压电陶瓷片100的第二伸缩区域1012的上表面设置有第二上电极303、下表面设置有第二下电极304，第一压电陶瓷片100的第二致动区域102的上表面设置有第三上电极305、下表面设置有第三下电极306，第二压电陶瓷片200的上表面设置有第四上电极307、下表面设置有第四下电极308。当然第三上电极305与第四下电极308需设置绝缘结构，如在电极表面涂覆绝缘层，这是本领域的常识。对于本技术的各上电极和下电极均一般为涂覆于压电陶瓷片上的电极层，电极层的涂覆面积可根据工况进行调整。
62.可选的，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012可以具有共用的上电极或下电极。例如可选的，如图4所示第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的上表面涂覆的第五上电极309同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，仅在第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的下表面分别设置独立的第一下电极302和第二下电极304，从而使得第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012仅具有三个电极引线，由两路驱动信号分别驱动第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012作同步反向伸缩。同理也可选的，如图5所示，第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的下表面涂覆的第五下电极310同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012，仅在第一压电陶瓷片100的
第一致动区域101的上表面分别设置独立的第一上电极301和第二上电极303，从而同样道理，使得第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012仅具有三个电极引线，由两路驱动信号分别驱动第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012作同步反向伸缩。在此基础上，进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012的极化方向相反，由于第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012为同步反向伸缩，从而如图6所述，第一压电陶瓷片100的第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012可以具有共用的第五上电极309和第五下电极310，即第一压电陶瓷片100的第一致动区域101的上表面涂覆的第五上电极309同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012；第一致动区域101的下表面涂覆的第五下电极310同时覆盖第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012。共用的第五上电极309和第五下电极310分别连接一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第一伸缩区域1011和第二伸缩区域1012作同步反向伸缩。
63.同理可选的，第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200可以具有共用的中间电极311，中间电极311设置于第二致动区域102与第二压电陶瓷片200之间，如图7所示，该中间电极311既是第二致动区域102的上电极，也是第二压电陶瓷片的下电极，这样就能使得第一压电陶瓷片100的第二致动区域102和第二压电陶瓷片200仅具有三个电极引线，简化线路，并由两路驱动信号分别驱动第二致动区域102和第二压电陶瓷片200作同步反向伸缩。在此基础上进一步优选的，所述的第一压电陶瓷片100的第二致动区域102与第二压电陶瓷片200的极化方向相同，由于第二致动区域102和第二压电陶瓷片200作同步反向伸缩，从而除了第二致动区域102与第二压电陶瓷片200可以共用一个中间电极311外，第二致动区域102和第二压电陶瓷片200剩余的两个电极也可以共用一个电极引线，这就使得由一路驱动信号通过两个引线，即可同时驱动第二致动区域102和第二压电陶瓷片200作同步反向伸缩。
64.本技术第二方面提供一种光纤扫描器，如图8所示，其包括上述的扫描致动器和光纤500，光纤500以悬臂支撑的方式固定设置于第一压电陶瓷片100的前端部。光纤500的另一端连接光源，光纤悬臂在扫描致动器的驱动下做二维扫描，光源根据光纤悬臂的扫描位置出射对应像素点的光，从而实现光纤二维扫描成像。
65.应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
66.本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。
67.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
68.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。